用于誤碼率測(cè)試儀的抖動(dòng)注入技術(shù)研究

賈冒華,童 瓊,李秀華,趙顯峰,劉婷

(北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所,北京 100039)

0 引言

數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)是其在某個(gè)特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)上偏離理想時(shí)間位置的瞬時(shí)波動(dòng)[1],在頻域往往體現(xiàn)為頻譜的發(fā)散,具有一定的隨機(jī)性。在數(shù)字電路中,抖動(dòng)指標(biāo)直接影響信號(hào)的整體質(zhì)量,是信號(hào)完整性分析中最重要的考核因素之一。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)而言,使用者不僅關(guān)注系統(tǒng)自身的固有抖動(dòng)指標(biāo),還需要了解其對(duì)于不同抖動(dòng)強(qiáng)度信號(hào)的容忍程度。因此,誤碼率測(cè)試儀在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的指標(biāo)評(píng)定時(shí),其輸出信號(hào)的抖動(dòng)頻率和抖動(dòng)幅度需要精確可控。抖動(dòng)注入就是在誤碼率測(cè)試儀的輸出信號(hào)上疊加可控抖動(dòng)的技術(shù)。

1 抖動(dòng)注入原理

在誤碼率測(cè)試儀中,碼型發(fā)生器用于產(chǎn)生包含特定圖形信息的串行信號(hào),其輸出測(cè)試信號(hào)的抖動(dòng)可以近似地等同于輸入時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng),如圖1 所示。

圖1 輸入時(shí)鐘信號(hào)與輸出測(cè)試信號(hào)的抖動(dòng)關(guān)系圖Fig.1 Jitter relationship between input clock signal and output test signal

正弦抖動(dòng)的注入可以看作將時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過一個(gè)正弦頻率調(diào)制[2]的過程,其抖動(dòng)頻率和抖動(dòng)幅度分別與調(diào)制信號(hào)頻率和幅度一一對(duì)應(yīng)。其基本原理如圖2 所示。

圖2 時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)注入的基本原理圖Fig.2 The basic principle of jitter injection for clock signal

時(shí)鐘源是原始的固定速率時(shí)鐘信號(hào),該時(shí)鐘信號(hào)與頻率、幅度均可自由調(diào)節(jié)的FM(頻率調(diào)制)輸入信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制,從而產(chǎn)生添加了抖動(dòng)效果的時(shí)鐘信號(hào)。頻率調(diào)制過程中調(diào)制信號(hào)的頻率和幅度決定抖動(dòng)注入后時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)特性,抖動(dòng)分量頻率fjitter與調(diào)制信號(hào)的頻率保持一致。

抖動(dòng)分量幅度的峰峰值A(chǔ)PP一般用單位間隔(UI)來表述[3],1 UI 相當(dāng)于數(shù)據(jù)信號(hào)單個(gè)符號(hào)位(即一個(gè)時(shí)鐘周期)的持續(xù)時(shí)間TB,式(1)描述了抖動(dòng)分量幅度APP用UI 為單位來表述的計(jì)算方法。

式中:TB——單個(gè)符號(hào)位時(shí)間,ps。

單個(gè)符號(hào)位時(shí)間TB即為碼速率的倒數(shù),以32 Gb/s為例,TB是31.25 ps,那么抖動(dòng)分量幅度的峰峰值A(chǔ)PP=0.5 UI 所對(duì)應(yīng)的時(shí)域?qū)挾圈為15.625 ps。

抖動(dòng)分量幅度是受正弦調(diào)制信號(hào)幅度VPP控制的,調(diào)制后時(shí)鐘信號(hào)的頻率偏差和VPP是成線性關(guān)系的。抖動(dòng)注入后的時(shí)鐘信號(hào)可以通過式(2)進(jìn)行表述。

式中:fCLK——時(shí)鐘信號(hào)頻率,Hz;η——頻率調(diào)制系數(shù);fjitter——抖動(dòng)分量頻率,Hz。

頻率調(diào)制系數(shù)η由頻率調(diào)制的頻率偏差ΔF和抖動(dòng)分量頻率fjitter決定

抖動(dòng)分量幅度的峰峰值A(chǔ)pp取決于調(diào)制系數(shù)

2 抖動(dòng)注入實(shí)現(xiàn)

在誤碼率測(cè)試儀中,采用兩個(gè)時(shí)鐘源模塊來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)注入,其中一個(gè)具有頻率調(diào)制功能,如圖3 所示。需要抖動(dòng)注入時(shí),時(shí)鐘源1 輸出一個(gè)頻率為fCLK的單頻時(shí)鐘信號(hào),時(shí)鐘源2 輸出一個(gè)頻率為fjitter的低頻調(diào)制信號(hào)。用時(shí)鐘源2 的信號(hào)調(diào)制時(shí)鐘源1 的頻率分量,使得時(shí)鐘源1 輸出信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)波動(dòng),用作碼型發(fā)生器的工作時(shí)鐘。碼型發(fā)生器中各通道采用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),因此所有通道輸出的測(cè)試信號(hào)都可以實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)注入功能。抖動(dòng)注入后的測(cè)試信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)大大惡化,可以輸出到被測(cè)件進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試。

圖3 誤碼率測(cè)試儀抖動(dòng)注入示意圖Fig.3 The jitter injection diagram of bit error rate tester

如圖4 所示,時(shí)鐘源1 主體為鎖相環(huán)架構(gòu),采用DDS(直接頻率合成器)作為鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘[4],能夠提供高精度的頻率調(diào)節(jié)分辨力。如果要獲得較小的調(diào)諧頻率,則需要減小鎖相環(huán)環(huán)路帶寬,但是鎖相環(huán)環(huán)路帶寬無限制的減小會(huì)影響寬帶鎖相性能,通常采用對(duì)鎖相環(huán)參考時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)窄帶頻率調(diào)制。方案中鎖相環(huán)環(huán)路帶寬為20 kHz,需要產(chǎn)生20 kHz 以內(nèi)的調(diào)諧頻率時(shí),由DDS 直接產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(hào),并以參考時(shí)鐘的方式將調(diào)頻特性傳遞至鎖相環(huán)的輸出信號(hào)。采用外部調(diào)制信號(hào)輸入時(shí),由AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)對(duì)外部調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣,得到的數(shù)字信號(hào)由FPGA(大規(guī)模可編程門陣列)進(jìn)行數(shù)字鑒頻處理,并轉(zhuǎn)換為頻率控制字和相位控制字輸送給DDS。當(dāng)需要寬速率的調(diào)制信號(hào)時(shí),利用加法器電路將調(diào)制信號(hào)與比較器輸出的壓控電壓進(jìn)行疊加后,連接至VCO(壓控振蕩器)的輸入端。基于VCO 的電壓/頻率轉(zhuǎn)換特性,調(diào)制信號(hào)給壓控電壓帶來的幅度波動(dòng)將變?yōu)檩敵鲂盘?hào)的頻率波動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)頻率的調(diào)制。

圖4 時(shí)鐘源1 原理框圖Fig.4 The functional block diagram of clock generator 1

如圖5 所示,時(shí)鐘源2 用于提供調(diào)制信號(hào),其DDS 模塊的頻率控制字為32 bit,幅度控制字為12 bit,可以實(shí)現(xiàn)高精度的抖動(dòng)頻率控制[5]。方案中,DDS 采樣時(shí)鐘為2.5 GHz,對(duì)應(yīng)的頻率分辨力為2.5 GHz/232=0.6 Hz,幅度分辨力可達(dá)0.2 mV。

圖5 時(shí)鐘源2 原理框圖Fig.5 The functional block diagram of clock generator 2

輸出時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)分量幅度的限制是由調(diào)制頻率輸入幅度Vrms、實(shí)際輸出信號(hào)的調(diào)制帶寬和線性度范圍受限所致。調(diào)制頻率輸入幅度Vrms和抖動(dòng)分量幅度需要通過大量測(cè)試進(jìn)行描述,首先調(diào)節(jié)時(shí)鐘源2 調(diào)制信號(hào)的幅度,再通過時(shí)域測(cè)量和頻率測(cè)量方法得到抖動(dòng)幅度APP的擬合曲線,如圖6 所示,最后將擬合曲線預(yù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中作為默認(rèn)抖動(dòng)注入功能的查詢參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)0.1～10 UI 范圍的抖動(dòng)幅度控制。

圖6 歸一化頻率調(diào)制幅度和時(shí)鐘抖動(dòng)幅度映射圖Fig.6 The normalized map of frequency modulation amplitude and clock jitter amplitude

如圖6 所示,時(shí)鐘速率為28 GHz 的條件下,分別在抖動(dòng)分量頻率為500 kHz、1 MHz、4 MHz 和10 MHz時(shí)使用時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量方法測(cè)量出抖動(dòng)分量幅度峰峰值。歸一化頻率調(diào)制幅度IFM定義如下:

式中:Vrms——調(diào)制信號(hào)幅度有效值,V;S——頻率調(diào)節(jié)靈敏度;fjitter——調(diào)制信號(hào)頻率(即為抖動(dòng)分量頻率),MHz。

由圖6 可得到抖動(dòng)分量幅度的線性擬合曲線公式如下:

3 抖動(dòng)注入測(cè)量

對(duì)于誤碼率測(cè)試儀輸出信號(hào)的抖動(dòng)指標(biāo),最直觀的測(cè)試方法是采用高速示波器的脈沖參數(shù)測(cè)量功能。將被測(cè)誤碼率測(cè)試儀的任意發(fā)射通道通過穩(wěn)相電纜連接至高速示波器的接收通道,被測(cè)誤碼率測(cè)試儀設(shè)置60 Gb/s,波形為NRZ,碼型設(shè)置為PRBS7,利用實(shí)時(shí)示波器測(cè)量輸入信號(hào)的抖動(dòng)指標(biāo)[6],測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 示波器抖動(dòng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果圖Fig.7 The jitter test result of oscilloscope

在同一個(gè)眼圖中,重復(fù)的數(shù)據(jù)或時(shí)鐘邊沿不能被有效識(shí)別,抖動(dòng)分量幅度通過示波器測(cè)試難以突破單個(gè)碼元寬度的限制。而對(duì)于超出1 UI 大幅度的抖動(dòng)來說,使用如圖8 所示的頻譜分析法更為準(zhǔn)確,將抖動(dòng)注入后的信號(hào)連接至頻譜分析儀,通過分析頻率調(diào)制信號(hào)的頻譜確定抖動(dòng)分量頻率和幅度大小。

載波幅度歸零是頻率調(diào)制后時(shí)鐘信號(hào)的重要性質(zhì),因此使用貝塞爾“零點(diǎn)法”[7]能夠通過頻譜儀顯示的頻譜信息分析出抖動(dòng)分量的頻率和幅度。由頻率調(diào)制原理可知,當(dāng)調(diào)制系數(shù)η和貝塞爾系數(shù)J0相等時(shí),載波幅度歸零[8]。自小到大的前四個(gè)η根植分別為2.40、5.52、8.65 和11.79,根據(jù)調(diào)制系數(shù)和抖動(dòng)幅度的數(shù)學(xué)關(guān)系,假定抖動(dòng)信號(hào)頻率為1 MHz,則第一個(gè)載波零點(diǎn)出現(xiàn)在抖動(dòng)幅度APP為0.76 UI時(shí),此時(shí)在時(shí)鐘頻率為28 GHz 時(shí),對(duì)應(yīng)的時(shí)域?qū)挾圈為27.3 ps。使用貝塞爾“零點(diǎn)法”能夠非常準(zhǔn)確的測(cè)量出抖動(dòng)幅度APP,其驗(yàn)證結(jié)果如圖9 所示。

圖9 28 GHz 時(shí)鐘信號(hào)加抖后頻譜和時(shí)域?qū)φ請(qǐng)DFig.9 The comparison diagram by spectrum and waveform of 28 GHz jitter clock signal

4 結(jié)束語

從正弦信號(hào)頻率調(diào)制的原理出發(fā),提出了一種高動(dòng)態(tài)且參數(shù)可調(diào)整的抖動(dòng)信號(hào)注入方法,該方法通過對(duì)碼型發(fā)生器輸入時(shí)鐘進(jìn)行正弦頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)了輸出測(cè)試信號(hào)0.1～10 UI 范圍的抖動(dòng)注入。搭建了正弦抖動(dòng)注入電路并給出了抖動(dòng)指標(biāo)的典型測(cè)量方法,通過輸出信號(hào)的時(shí)域和頻域?qū)φ?驗(yàn)證了大范圍抖動(dòng)頻率范圍內(nèi)高精度抖動(dòng)注入方法的有效性。